第38卷第6期2010年12月浙江工业大学学报JO U RN A L OF ZHEJIA N G U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY V ol.38N o.6Dec.2010收稿日期:2010-06-07作者简介:刘国越(1960 ),女,山西榆次人,实验师,主要从事电子技术实验研究,E -mail:lgy@.电压控制移相电路设计刘国越,梅一珉(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032)摘要:叙述了一种电压控制移相电路的设计方案.实现了控制相位不随信号频率而变的设计理念.电路主要由运算放大器、比较器、模拟开关和触发器组成.采用过零比较器把正弦信号转换为方波信号,利用单稳态电路实现频率/电压变换,由积分器和模拟开关产生斜率与信号频率成正比的锯齿波信号,输入控制电压通过比较器与锯齿波信号比较产生移相脉冲,由触发器输出移相方波,利用积分器转换成三角波,再通过三角波 正弦波转换电路得到移相正弦波信号输出.介绍了各单元电路的工作原理,并给出了具体电路和实验波形图.关键词:积分器;模拟开关;移相器中图分类号:T M930.2 文献标识码:A文章编号:1006-4303(2010)06-0679-04Design of the voltage -controlled phase -shifting circuitLIU Guo -y ue,MEI Y-i min(College of Inform ation Engineering,Zhejaing University of Techn ology,H an gzhou 310032,Ch ina)Abstract:T his paper descr ibes a desig n o f vo ltag e controlled phase -shifting cir cuit.In thismethod,the control phase is not chang ed w ith the signal frequency.The circuit is mainly com posed of the operational amplifier s,co mparators,analog sw itches and tr ig gers.The Zero -cro ssing co mparator is used to convert sinusoidal sig nal to square w ave sig nal.The mo nostable circuit is used to convert the frequency to voltage .The saw tooth sig nal,in w hich the slope is pro por tional to the sig nal frequency,is gener ated by an integ rato r and an analog sw itch..The input control vo ltag e is com pared with the saw tooth signal in the co mparator and the palus of shifting phase is generated.The phase -shifting square w ave is output by trigg er.The integ rato r is used to convert the square w ave into a triang ular w ave,and phase -shifting sine w ave signal is output thro ug h the tr iangular w ave -sine conversion circuit.In this paper,The w o rking principle of each unit circuit is introduced.and the specified cir cuit and ex perimental w aveforms are given.Key words:integr ator;analog sw itch;phase shifter 在大学传感器原理实验教学中,现实验装置中的移相器电路大多采用RC 网络移相电路,当RC 参数确定时,其输入输出相位差值随信号频率而变[1-2],学生在配合相敏检波器电路做一些传感器频率特性实验中需监视相位关系做相应调整,使用不方便.实验中最好选用一种相位与频率无关的移相器,我们对实验装置中移相器电路进行了改进性设计,可满足实验需求.1 设计概述本设计主要采用模拟运算器等简易电路实现,电路框图如图1所示.输入正弦信号通过比较器电路转换为对应的方波信号,用单稳态电路和低通滤波器组成的频率/电压变换电路,同时利用方波信号控制锯齿波电路产生同步的锯齿波,频率/电压变换电路的输出连接到锯齿波发生器中的积分电路输入,锯齿波的斜率与信号频率值成正比,与当锯齿波电压大于移相控制电压时比较器输出翻转,通过D 触发器产生移相方波信号,该方波去控制模拟开关积分电路产生幅度相等的移相三角波信号,再通过三角波-正弦波转换电路输出移相正弦波信号输出[3].图1 电路框图Fig.1Cir cuit diag ram从时序波形图(图2)可得:与正弦信号同步的方波信号(图2a)用其上升沿触发的单稳态触发器产生脉宽 和幅值U P 都恒定的矩形波信号(图2b),U P 为触发器输出的逻辑高电平)其平均电压[4]为U = TU P = U P f(1)平均电压U 与频率f 成正比,将其负电压输入到积分器电路,则积分器输出为与时间成正比的锯齿波信号,其幅值电压为 U 0=1R CT/2UPf d t =1R C T 2 U P 1T = U P 2 R C(2)图2 积分器及时序图F ig.2Integ rato r and t iming diag ram由上式可知,锯齿波幅值与频率无关为一常量,其斜率为K =2 U 0T = U PR C T(3)该锯齿波与移相控制电压U r 通过电压比较器输出延时矩形波(图2c),再通过触发器分频产生移相的方波(图2d),其延时时间为t 1=U r K =R C T U PU r (4)移相方波通过电子模拟开关和积分器电路产生相应的三角波信号,再通过三角波 正弦波函数转换电路生成移相正弦信号.则移相相位为=t 1T 360 =R C 360 U PU r(5)由此可得,相位 与控制电压U r 成正比而与频率f 无关.2 工作原理下面具体介绍电路工作原理:参照原理图(图3),电路工作电压V CC 为+5V,V EE 为-5V.正弦信号输入到双比较器(型号LM393)的U 1A 和U 1B 与零电平比较,比较器输出得到极性相反的两路方波信号(图4中的b,c),其中一路方波信号连接到触发器U 4B 和比较器U 5B 组成的单稳态触发器电路,U 4B 的Q 端输出脉宽保持恒定的矩形波信号(图4中的d),通过低通滤波器U 6A 得到其平均电压值.因矩形波脉宽和电压幅值保持恒定,所以低通滤波器U 6A 输出电压与输入信号频率成正比(图4中的e),完成频率/电压变换.680 浙江工业大学学报第38卷U6A输出电压经过反相跟随器U6B分别输入到积分器U3A和U3B,两路积分器输出锯齿波信号,其斜率与输入信号频率成正比.锯齿波的复零信号由模拟开关U2(型号CD4053,为3组2选1模拟开关,其控制逻辑为:当A=0电平时X0与X连通,当A=1电平时X1与X连通;当B=0电平时Y0与Y连通,当B=1电平时Y1与Y连通;当C=0电平时Z0与Z连通,当C=1电平时Z1与Z连通;)的A、B控制端,既由U1A和U1B输出方波控制(图4中的f,g),两路锯齿波信号叠加产生连续的锯齿波信号(图4中的h),通过比较器U5A与输入移相控制电压(图4中的i)比较产生移相的矩形波信号(图4中的681第6期刘国越,等:电压控制移相电路设计j),其相移与控制电压成正比,而与信号频率无关.移相矩形波信号作为D 触发器U 4A 的时钟信号,D 触发器的D 端逻辑由U 1A 输出的方波信号控制,则U 4A 的Q 端得到移相的方波信号(图4中的k),再连接到模拟开关U 2的C 控制端,改变积分器U 7A 的输入极性,模拟开关U 2的Z 0和Z 1分别连接频率/电压变换输出的正,负电压上,使得积分器U 7A 输出三角波信号的斜率与频率成正比,因此三角波信号电压幅值为一常量,与输入信号频率无关,既输入信号频率改变时三角波信号频率跟着改变但其幅值保持不变(图4中的l).积分电路U 7A 应控制方波起始初相角不同时,输出三角波会含有直流分量,为保证三角波正负幅值对称,U 7B 低通滤波器电路把积分器输出三角波的直流分量负反馈至积分器输入端,可保证三角波正负幅值对称.通过三角波 正弦波函数转换电路产生移相正弦信号(图4中的m).3 结束语本设计采用的锯齿波与输入正弦信号的稳定相位关系,用一给定直流电平与锯齿波作比较产生移相信号,控制电压输入范围应在锯齿波电压幅度内变化,从波形图4(a,b)中可看出:输入移相控制电压(图3中的直流电压i )改变时,输出的正弦信号的相位随着改变.控制电压在锯齿波幅值范围内改变时,移相在(-90 ~0 ~+90 )范围内变化,对电路(图3)中进行改动,U 4A 的Q 端去控制模拟开关U 2的C 控制端,则移相可改为在(+90 ~180 ~-90 )范围内变化.工作频率范围受集成运算放大器输入阻抗和转换速度等参数限制,频率范围在20~20kH z 为宜.参考文献:[1] 裴立云.相敏检波电路鉴相特性的仿真研究[J].西安:现代电子技术,2008,10(19):178-183.[2] 康华光.电子技术基础模拟部分[M ].北京:高等教育出版社,1990.[3] 叶君平.电子线路基础实验[M ].北京:高等教育出版社,1984.[4] 张国雄,金篆芷.测控电路[M ].北京:机械工业出版社,2001.(责任编辑:陈石平)(上接第632页)4 结 论结合某公路隧道的施工特点,通过对围岩在不同地应力释放率下的稳定性分析,得出如下结论:(1)随着开挖面应力释放率的增大,隧道开挖面洞周的拱顶、拱底与拱腰的变形和围岩塑性区范围随之增大,但拱顶和拱底的变形较大,而拱腰的变形则相对较小.(2)随着地应力释放率的增加,衬砌的最大、最小主应力相应地随之减小,但最大主应力下降较快,而最小主应力下降则相对较平缓.(3)当地应力释放率很大时,岩柱腰部塑性区发生很大变形,锚杆最大拉应力位置出现于岩柱两侧,甚至进入塑性状态.此时,锚杆没有充分发挥其控制围岩变形的作用.参考文献:[1] 丁春林,朱世友,周顺华.地应力释放对盾构隧道围岩稳定性和地表沉降变形的影响[J ].岩石力学与工程学报,2002,21(11):1633-1638.[2] 夏永旭,王文正,胡庆安.围岩应力释放率对双联拱隧道施工影响研究[J].现代隧道技术,2005,42(3):1-4.[3] 杨建平,陈卫忠,郭小红.小净距公路隧道支护时机对围岩稳定性影响研究[J].岩土力学,2008,29(2):483-490.[4] M AN AN A I,CLOUGH G W.Prediction of m ovements forbraced 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